JP2004052680A - 排ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃費を大きく悪化させることなく、必要な時に高濃度のＮＯｘをＤＰＦに供給することができ、より効率よくＰＭを除去してＤＰＦを再生することができる排ガス浄化装置を実現する。
【解決手段】ディーゼルエンジン１の排気管に、酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘの吸着・放出が可能で、低温でＮＯｘを吸着し高温で吸着したＮＯｘを放出する温度感応型ＮＯｘ吸着体２を設け、その下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ３を配置する。温度感応型ＮＯｘ吸着体２は、低温時に吸着したＮＯｘを高温時に放出して、パティキュレートフィルタ３に供給するので、ＮＯｘによるパティキュレートの酸化が効果的に行われ、雰囲気制御の必要がないので燃費悪化を防止できる。また、ＥＣＵ６による再生制御と組み合わせることで、安全かつ効率的にパティキュレートフィルタ３の再生を行うことができる。
【選択図】 図１
【解決手段】ディーゼルエンジン１の排気管に、酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘの吸着・放出が可能で、低温でＮＯｘを吸着し高温で吸着したＮＯｘを放出する温度感応型ＮＯｘ吸着体２を設け、その下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ３を配置する。温度感応型ＮＯｘ吸着体２は、低温時に吸着したＮＯｘを高温時に放出して、パティキュレートフィルタ３に供給するので、ＮＯｘによるパティキュレートの酸化が効果的に行われ、雰囲気制御の必要がないので燃費悪化を防止できる。また、ＥＣＵ６による再生制御と組み合わせることで、安全かつ効率的にパティキュレートフィルタ３の再生を行うことができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出されるパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを備える排ガス浄化装置に関し、詳しくは、排ガスに含まれるＮＯｘを利用してパティキュレートを酸化除去する排ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化の観点から、低ＣＯ２ 排出量であるディーゼルエンジンが注目されている。一方で、ディーゼルエンジンから排出されるガスのクリーン化要求が高まっており、特に、パティキュレート（粒子状物質，ＰＭ）の低減が大きな課題となっている。ディーゼルエンジンのＰＭ対策としては、多孔質セラミック構造体からなるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が知られ、ＤＰＦにＰＭを一旦捕集した後、適当な時期にＰＭを燃焼させて、ＤＰＦを再生することが行われている。
【０００３】
また、ＤＰＦの上流に酸化触媒を設置し、排ガスに含まれるＮＯｘからＰＭとの反応性の高いＮＯ２ を生成して、ＤＰＦに供給するようにした装置が提案されている。この装置では、生成したＮＯ２ によりＤＰＦに捕集されたＰＭを酸化させるので、比較的低温域においてもＰＭの酸化除去が可能になる。ただし、排ガスに含まれるＮＯｘ量はエンジンの運転状態によって変化するので、常に十分な量のＮＯｘをＤＰＦに供給できるとは限らない。
【０００４】
そこで、ＮＯｘ吸蔵触媒を用いてＰＭの燃焼を効率よく行うことが検討されている。ＮＯｘ吸蔵触媒は、リーン雰囲気 （酸素過剰雰囲気）でＮＯｘを吸蔵しリッチ雰囲気（還元雰囲気）で放出する特性を有するもので、通常時は排出されるＮＯｘをＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵し、ＰＭ燃焼時にＮＯｘ吸蔵触媒からＮＯｘを放出させて、高濃度のＮＯｘをＤＰＦに供給することが試みられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ディーゼルエンジンは、通常リーン雰囲気で運転されるため、ＤＰＦの再生時にＮＯｘを放出させるには、一時的にリッチ雰囲気を作る必要があり、大きな燃費の悪化をまねく問題があった。また、適正な時期にＮＯｘを放出させてＰＭと反応させるには、ＤＰＦの温度を検出して、ＤＰＦが再生可能な温度範囲となった時に雰囲気を切換えるといった制御が必要となる。このため、より簡易に、効率よくＰＭを燃焼除去できる技術の開発が望まれていた。
【０００６】
そこで、本発明は、燃費を大きく悪化させることなく、必要な時に高濃度のＮＯｘをＤＰＦに供給することができ、より効率よくＰＭを除去してＤＰＦを再生することができる排ガス浄化装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でＮＯｘを吸着し高温で吸着したＮＯｘを放出する特性を有する温度感応型ＮＯｘ吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘの吸着・放出が可能な温度感応型ＮＯｘ吸着体を設け、該温度感応型ＮＯｘ吸着体の下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを配置したことを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、低温時には、ディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘを、上記温度感応型ＮＯｘ吸着体に担持された温度感応型ＮＯｘ吸着材に吸着し、排ガスが高温になった時に、吸着保持されていたＮＯｘを一気に放出することで、高濃度のＮＯ２ を下流側のパティキュレートフィルタに供給することができる。このＮＯｘの吸着・放出は、酸素過剰雰囲気下で進行するので、雰囲気制御等の必要がなく、ＰＭとＮＯｘの反応が可能となった時に十分なＮＯｘを供給して、燃費を悪化させることなく、効率的にＰＭを酸化除去することができる。
【０００９】
請求項２の装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でＮＯｘを吸着し高温で吸着したＮＯｘを放出する特性を有する温度感応型ＮＯｘ吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘの吸着・放出が可能な温度感応型ＮＯｘ吸着体を設け、該温度感応型ＮＯｘ吸着体の下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを配置するとともに、上記パティキュレートフィルタの表面に酸化触媒成分を担持させる。
【００１０】
上記構成によれば、高温時に温度感応型ＮＯｘ吸着体から放出されるＮＯｘのうちＮＯが、パティキュレートフィルタの表面で酸化触媒によってＮＯ２ に変換される。これにより、より高濃度のＮＯ２ をパティキュレートフィルタに供給することができ、より効率よくＰＭを酸化除去することができる。
【００１１】
請求項３の装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でＮＯｘを吸着し高温で吸着したＮＯｘを放出する特性を有する温度感応型ＮＯｘ吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘの吸着・放出が可能な温度感応型ＮＯｘ吸着体を設け、該温度感応型ＮＯｘ吸着体の下流に、酸化触媒と、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタとを順に配置している。
【００１２】
上記構成のように、酸化触媒をパティキュレートフィルタと別体で設けることもできる。この場合も、酸化触媒を温度感応型ＮＯｘ吸着体とパティキュレートフィルタの間に設けることで、請求項３と同様の効果が得られる。
【００１３】
請求項４の装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを設け、該パティキュレートフィルタの表面に、低温でＮＯｘを吸着し高温で吸着したＮＯｘを放出する特性を有し、酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘの吸着・放出が可能な温度感応型ＮＯｘ吸着材を担持させる。
【００１４】
上記構成のように、温度感応型ＮＯｘ吸着材をパティキュレートフィルタに直接担持させることもできる。このようにしても、低温時に温度感応型ＮＯｘ吸着材に吸着したＮＯｘを高温時に放出して、効率よくＰＭを酸化除去することができ、また、装置をよりコンパクトにすることができる。
【００１５】
請求項５のように、上記温度感応型ＮＯｘ吸着材としては、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素から選ばれる少なくとも１種の金属元素（Ａ種）と、遷移金属元素から選ばれる少なくとも１種の金属元素（Ｂ種）との複合酸化物（ＡＢＯｘ）を主成分として含有するものが使用でき、温度に応じてＮＯｘを吸着あるいは放出させることができる。
【００１６】
請求項６の装置は、上記パティキュレートフィルタにおける圧力損失からパティキュレートの堆積量を算出するＰＭ堆積量算出手段と、該ＰＭ堆積量算出手段で算出されたＰＭ堆積量に基づいて上記パティキュレートフィルタの再生を行う再生実施手段とを備える。
【００１７】
上記構成によれば、上記パティキュレートフィルタの自然再生がなされないまま、ＰＭ堆積量が増加した場合でも、上記ＰＭ堆積量算出手段で算出されたＰＭ堆積量が所定値を越えた時に、上記再生実施手段を作動させることで、確実にパティキュレートフィルタの再生を行うことができる。よって、燃費等への影響を最小限度とし、安全に、効率よくＰＭを酸化除去することができる。
【００１８】
請求項７の装置は、上記パティキュレートフィルタにおける圧力損失からパティキュレートの堆積量を算出するＰＭ堆積量算出手段と、該ＰＭ堆積量算出手段で算出されたＰＭ堆積量に基づいて上記パティキュレートフィルタの再生を行う再生実施手段と、運転履歴または排ガス中のＮＯｘ濃度と排ガス温度から上記温度感応型ＮＯｘ吸着材に吸着したＮＯｘ量を算出するＮＯｘ吸着量算出手段と、上記再生実施手段による上記パティキュレートフィルタの再生に先立って、再生に必要なＮＯｘ量と、上記ＮＯｘ吸着量算出手段により算出されたＮＯｘ吸着量との差から、再生に必要なＮＯｘ量の不足分を算出するＮＯｘ不足量算出手段と、該ＮＯｘ不足量算出手段により算出されたＮＯｘ不足量に相当するＮＯｘを供給するためにＮＯｘ補充制御を実施するＮＯｘ補充制御手段とを備える。
【００１９】
上記構成においても、上記パティキュレートフィルタの自然再生がなされないまま、上記ＰＭ堆積量算出手段で算出されたＰＭ堆積量が所定値を越えた時には、上記再生実施手段が作動して、上記パティキュレートフィルタの再生を行う。その際に、上記温度感応型ＮＯｘ吸着材に吸着したＮＯｘ量を算出するとともに、再生に必要なＮＯｘ量に対する不足分を算出して、該不足分を上記パティキュレートフィルタに供給する補充制御を行うことにより、十分なＮＯｘ量を確保することができ、より効率よくＰＭを酸化除去することができる。
【００２０】
請求項８の装置は、上記ディーゼルエンジンの排気再循環通路に設けたＥＧＲ弁でＥＧＲ量を調節するＥＧＲ量制御手段を備え、上記ＮＯｘ補充制御手段は、上記ＥＧＲ量制御手段の上記ＥＧＲ弁を閉側に制御してＥＧＲ量を低減する制御を行う。
【００２１】
具体的には、上記ＥＧＲ量制御手段を設けて、ＥＧＲ量を低減する制御を行うと、排ガス中のＮＯｘ量を増加させ、不足分に相当するＮＯｘを供給することができる。
【００２２】
請求項９の装置は、上記ディーゼルエンジンの吸気通路に設けた吸気スロットルで吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段を備え、上記ＮＯｘ補充制御手段は、上記吸入空気量制御手段の上記吸気スロットルを開側に制御して吸入空気量を増加させる制御を行う。
【００２３】
あるいは、上記吸入空気量制御手段を設けて、吸入空気量を増加させる制御を行うこともでき、燃焼温度を高くしてＮＯｘの生成量を増加させ、不足分に相当するＮＯｘを供給することができる。
【００２４】
請求項１０の装置は、上記ディーゼルエンジンの燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を備え、上記ＮＯｘ補充制御手段は、上記燃料噴射時期制御手段により燃料噴射時期を進角側にする制御を行う。
【００２５】
あるいは、上記燃料噴射時期制御手段を設けて、燃料噴射時期を進角側にする制御を行うこともでき、燃焼温度を高くしてＮＯｘの生成量を増加させ、不足分に相当するＮＯｘを供給することができる。
【００２６】
請求項１１の装置は、上記ディーゼルエンジンの排気再循環通路に設けたＥＧＲ弁でＥＧＲ量を調節するＥＧＲ量制御手段と、上記ディーゼルエンジンの吸気通路に設けた吸気スロットルで吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段と、上記ディーゼルエンジンの燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を備え、上記ＮＯｘ補充手段は、上記ＥＧＲ量制御手段の上記ＥＧＲ弁を閉側に制御してＥＧＲ量を低減する制御、上記吸入空気量制御手段の上記吸気スロットルを開側に制御して吸入空気量を増加させる制御および上記燃料噴射時期制御手段により燃料噴射時期を進角側にする制御のうちの少なくとも２つ以上の制御を実施する。
【００２７】
好適には、上記ＥＧＲ量制御手段、吸入空気量制御手段、燃料噴射時期制御手段を組み合わせることにより、必要なＮＯｘ量を確保し、より効率よく上記パティキュレートフィルタの再生を行うことができる。
【００２８】
請求項１２の装置は、上記パティキュレートフィルタ前後の圧力差または上記パティキュレートフィルタの上流圧力を検出する圧力検出手段と、上記パティキュレートフィルタの温度を検出する温度検出手段と、内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を有しており、上記ＰＭ堆積量算出手段は、これら検出手段の検出結果からパティキュレートの堆積量を算出する。
【００２９】
具体的には、一般に、ある排気流量に対して、ＰＭの捕集量の増加に伴い上記パティキュレートフィルタで発生する圧力損失が増加する。よって、上記パティキュレートフィルタ前後の圧力差または上記パティキュレートフィルタの上流圧力を検出し、上記パティキュレートフィルタの温度と吸入空気量から算出される排気流量に基づいてＰＭ捕集量を算出することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明を適用した排ガス浄化装置の全体構成を示す概略図であり、図中、ディーゼルエンジン１に接続された排気通路としての排気管１１の途中には、酸素過剰雰囲気下でもＮＯｘの吸着・放出が可能な温度感応型ＮＯｘ吸着体２が設置されている。温度感応型ＮＯｘ吸着体２の下流の排気管１１内には、排ガス中のパティキュレート（ＰＭ）を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）３が設置されている。
【００３１】
温度感応型ＮＯｘ吸着体２は、コーディエライト等の耐熱性セラミックスからなるハニカム構造のセラミック担体に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、温度感応型ＮＯｘ吸着材を担持してなる。温度感応型ＮＯｘ吸着材は、低温域 （例えば４００℃以下）においてＮＯｘを吸着し、高温域 （例えば４００℃以上）となった時に吸着したＮＯｘを放出する特性を有して、下流のＤＰＦ３にＮＯｘを供給するもので、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ等のアルカリ金属元素およびＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ等のアルカリ土類金属元素から選ばれる少なくとも１種の金属元素（Ａ種）と、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ等の遷移金属から選ばれる少なくとも１種の金属元素（Ｂ種）とを含む複合酸化物（ＡＢＯｘ）が好適に使用される。具体的には、Ａ種としてＢａを、Ｂ種としてＣｕを用いた複合酸化物等が挙げられ、これら複合酸化物を主成分とするＮＯｘ吸着材を用いることで、リッチ・ストイキ・リーン雰囲気のいずれの雰囲気下においてもＮＯｘの吸着・放出が可能となる。
【００３２】
ＤＰＦ３は、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスをハニカム構造に成形し、多孔性の隔壁で区画された多数のセルの入口または出口を互い違いに目封じしたもので構成される。エンジンからの排ガスは、入口側が開口しているセルからＤＰＦ３内に入り、各セルを区画する多孔性の隔壁を通過しながら出口側へ流れる間にＰＭが捕集される。なお、ＤＰＦ３や温度感応型ＮＯｘ吸着体２の基材となるセラミックスは、コーディエライトに限らず、アルミナ、スピネル、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、ムライト、シリカ−アルミナ、ゼオライト、ジルコニア、窒化珪素、リン酸ジルコニウム等の他のセラミックスを用いることもできる。
【００３３】
本発明では、温度感応型ＮＯｘ吸着体２をＤＰＦ３の上流に配置し、排ガス温度に応じてＮＯｘを吸着・放出させることで、ＤＰＦ３に捕集されたＰＭを、ＮＯｘを用いて効率よく浄化することができる。すなわち、排ガスが低温 （例えば４００℃以下）でＰＭの酸化反応に適さない時には、エンジン１から排出されるＮＯｘは、温度感応型ＮＯｘ吸着体２に担持された温度感応型ＮＯｘ吸着材に吸着される。ＰＭとＮＯ２ の反応が進行する温度以上に排ガスの温度が上昇すると（例えば４００℃以上）、温度感応型ＮＯｘ吸着体２に吸着されていたＮＯｘが放出され、下流側のＤＰＦ３に捕集されているＰＭを酸化除去する。
【００３４】
ここで、本発明で使用する温度感応型ＮＯｘ吸着体２は、ＮＯｘの吸着および放出が、雰囲気によらず進行するので、従来のＮＯｘ吸蔵触媒を用いたシステムのように、ＮＯｘを放出するために一時的にリッチ雰囲気とする制御を行う必要がない。よって、通常時には、排ガスが高温となる運転条件となった時に、ＤＰＦ３の自然再生がなされるので、燃費を悪化させることなくＰＭの浄化に十分なＮＯｘを供給して、ＰＭを酸化除去することができる。
【００３５】
また、運転状態によっては、ＤＰＦ３の再生がなされないままＰＭの堆積量が増加することがある。ＰＭの堆積量が多いと、燃焼時にＤＰＦ３が高温となって劣化する等のおそれがあるため、ＰＭの堆積量が所定量を越えた時には、排ガスを昇温させて強制的にＰＭを燃焼させるようにするとよい。本実施の形態では、捕集されたパティキュレートの量（ＰＭ堆積量）を知るために、圧力検出手段である差圧センサ４１を設けて、ＤＰＦ３の上流および下流の排気管１１圧力からＤＰＦ３前後の圧力差を検出するようになっている。また、ＤＰＦ３前後の圧力差は、排気流量によっても変化するので、排気流量を算出するために、ＤＰＦ３と温度感応型ＮＯｘ吸着体２の間の排気管１１にＤＰＦ３の温度を検出する温度検出手段として排気温センサ４２が、エンジン１の吸気管１２には、吸入空気量検出手段としてエアフローメータ５１が設けられる。
【００３６】
これら各検出装置からの信号はＥＣＵ６に入力される。ＥＣＵ６は、ＤＰＦ３の温度および吸入空気量の測定値から算出される排ガス流量とＤＰＦ３の前後差圧を基に、ＰＭ堆積量を演算し（ＰＭ堆積量算出手段）、算出されたＰＭ堆積量が所定値を越えた時に、高温の排ガスを供給して温度感応型ＮＯｘ吸着体２およびＤＰＦ３を昇温させ、ＤＰＦ３の再生を行う（再生実施手段）。これにより、温度感応型ＮＯｘ吸着体２に吸着されているＮＯｘを放出させて、ＤＰＦ３においてＰＭと反応させ、捕集能力を回復させることができる。
【００３７】
排ガスを高温とする手段として、具体的には、ＥＣＵ６によりエンジン１の燃焼室に燃料を噴射する際に、ポスト噴射や噴射時期の遅角を行う、あるいは、吸入空気量制御手段となる吸気スロットル５を通常より閉側とする等の制御を行うことにより排ガスを昇温させることができる。例えば、ポスト噴射や遅角を行うと、着火時期の遅れ等により、エネルギーの一部が排気の熱エネルギーになるために、通常噴射の場合よりも排ガスを高温（例えば３００℃〜７００℃）とすることが可能である。吸気スロットル５を閉側とした場合も、吸気量が減少してエンジン１の燃焼室内に流入するガスの熱容量が減少するために、排ガス温度が上昇する。運転状態に応じて、複数の制御手段を使い分けたり、再生手段として、バーナやヒータといった加熱装置を用いることもできる。
【００３８】
このように、本実施の形態によれば、温度感応型ＮＯｘ吸着体２を用いることにより、リーン雰囲気においてもＤＰＦ３の自然再生が可能となり、また、必要に応じて再生制御を併用することで、エンジン１の燃焼制御への影響を最小限とし、燃費の悪化やＤＰＦ３の劣化を抑制しつつ、効率よくＤＰＦ３を再生させることができる。
【００３９】
図２（ａ）に本発明の第２の実施の形態として示すように、酸化触媒を塗布したＤＰＦ３を使用することもできる。酸化触媒としては、通常、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等の触媒貴金属が用いられる。これにより、放出されるＮＯｘ成分のうちＮＯを反応性の高いＮＯ２ に変換できるので、より効率的にＰＭを酸化除去することができる。酸化触媒の担持は、ＤＰＦ３の表面に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、酸化触媒成分を含む溶液に浸漬、焼付けすることにより行われる。その他の基本構成は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００４０】
図２（ｂ）に本実施の形態の構成における温度感応型ＮＯｘ吸着体２と酸化触媒の温度特性を示す。温度感応型ＮＯｘ吸着体２におけるＮＯｘの入りガス濃度と出ガス濃度の関係は、排ガス温度に対して図の上段に示すようになり、排ガスが低温 （例えば４００℃以下）である時、エンジン１から排出されるＮＯｘは、温度感応型ＮＯｘ吸着体２に吸着されるため、入りガス濃度に対して出ガス濃度が低くなっている。排ガスが高温 （例えば４００℃以上）になると、吸着されていたＮＯｘが温度感応型ＮＯｘ吸着体２から放出されるために、ＮＯｘの出ガス濃度が急増する。この温度域では、酸化触媒が活性化温度以上となっているのでＮＯ２ 生成率が急増し（図の中段）、ＮＯ２ とＰＭの反応率も十分高くなっている（図の下段）。従って、放出されたＮＯｘはＤＰＦ３表面の酸化触媒によって速やかにＮＯ２ に変換され、ＮＯ２ とＰＭの反応が進行する。これらの反応も、すべてリーン雰囲気で進行するので、排ガス中のＮＯｘを有効に利用して、ＰＭを酸化除去することができる。
【００４１】
図３に本発明の第３の実施の形態として示すように、酸化触媒７をＤＰＦ３と別体で設けることもできる。この場合、酸化触媒７は温度感応型ＮＯｘ吸着体２とＤＰＦ３の間に配設され、温度感応型ＮＯｘ吸着体２から放出されるＮＯを反応性の高いＮＯ２ に変換してＤＰＦ３に供給する。酸化触媒７は、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスからなるハニカム構造のセラミック担体に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、酸化触媒成分を担持してなる。この構成においても、上記第２の実施の形態と同様の作動が得られる。
【００４２】
図４に本発明の第４の実施の形態として示すように、温度感応型ＮＯｘ吸着材を表面に塗布したＤＰＦ３を使用することもできる。温度感応型ＮＯｘ吸着材は、上記第１の実施の形態と同様のものが用いられ、ＤＰＦ３の表面に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、温度感応型ＮＯｘ吸着材を含む溶液に浸漬、焼付けすることにより担持させることができる。その他の基本構成および作動は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００４３】
図５、６に本発明の第５の実施の形態を示す。本実施の形態の触媒構成は、上記第３の実施の形態の構成と同様で（上記図３参照）、排気管１１内に、上流側から温度感応型ＮＯｘ吸着体２、酸化触媒７、ＤＰＦ３が排気管１１が配置してある。本実施の形態において、エンジン１の排気管１１は、ＥＧＲ（排気再循環）通路８によって吸気管１２に連結しており、排気の一部がＥＧＲ通路８を経て吸気管１２に戻されるようになっている。ＥＧＲ通路８には、ＥＧＲ弁８１が設置されており、吸気に還流される排気の量（ＥＧＲ量）を調整できるようにしてある（ＥＧＲ量制御手段）。
【００４４】
本実施の形態においても、上記第３の実施の形態と同様、排ガスが高温となった時に、ＮＯｘが温度感応型ＮＯｘ吸着体２から放出され、酸化触媒７でＮＯがＮＯ２ に返還された後、ＰＭと反応することでＤＰＦ３の自然再生がなされる。また、上記第１の実施の形態と同様、ＥＣＵ６にて、差圧センサ４１で検出されるＤＰＦ３の前後差圧からＮＯｘ吸着量を算出し（ＰＭ堆積量算出手段）、算出されたＰＭ堆積量が所定値を越えた時に、高温の排ガスを供給して温度感応型ＮＯｘ吸着体２およびＤＰＦ３を昇温させ、ＤＰＦ３の再生を行う（再生実施手段）。さらに、本実施の形態では、その際、温度感応型ＮＯｘ吸着体２に吸着されているＮＯｘ量を算出し（ＮＯｘ吸着量算出手段）、ＤＰＦ３の再生に必要なＮＯｘ量に対する不足分を算出して（ＮＯｘ不足量算出手段）、このＮＯｘ不足量に相当するＮＯｘをエンジン１側から排出するように、ＥＣＵ６による補充制御を行うものとする（ＮＯｘ補充制御手段）。
【００４５】
温度感応型ＮＯｘ吸着体２に吸着されているＮＯｘ量は、ここでは、排気温センサ４２にて検出される排ガス温度と、運転履歴を基にＥＣＵ６にて算出される。また、ＰＭ堆積量から、捕集されたＰＭとの反応に必要なＮＯｘ量を算出し、ＮＯｘ吸着量との差からＮＯｘ不足量を算出することができる。不足分のＮＯｘの補充は、例えば、ＥＧＲ通路８に設けたＥＧＲ弁８１を閉側に制御することにより行い、吸気に還流される排気を減少して燃焼温度を高温とし、ＮＯｘ量を増加することができる。あるいは、ＥＣＵ６によりエンジン１の燃焼室に燃料を噴射する際に（噴射時期時期制御手段）、噴射時期の進角を行ったり、吸気スロットル５で吸入空気量を調節する際に（吸入空気量制御手段）、吸気スロットル５を通常より開側とする制御を行ってもよく、同様に、ＮＯｘの排出量を増加させることができる。
【００４６】
この時のＥＣＵ６の作動の一例を、図６のタイムチャートを参照しながら、図７のフローチャートを用いて説明する。この処理は、ＥＣＵ６において所定の周期で実行され、まずステップ１０１で、差圧センサ４１、エアフローメータ５１および排気温センサ４２の出力を読み込み、ＤＰＦ３前後差圧、吸入空気量およびＤＰＦ３温度の検出値を基に、ＰＭ堆積量ＭＰＭを算出する。次いで、ステップ１０２で、算出したＰＭ堆積量ＭＰＭを予め設定した所定値Ａ１と比較して、ＤＰＦ３の再生を実施するかどうかを判断する。ＰＭ堆積量ＭＰＭが所定値Ａ１に満たない場合にはスタートへ戻り、ＰＭ堆積量ＭＰＭが所定値以上であれば、ＤＰＦ３の再生が必要と判断してステップ１０３へ進む。
【００４７】
次いで、ステップ１０３で、温度感応型ＮＯｘ吸着体２に吸着したＮＯｘ吸着量ＭＮＯＸ を算出する。エンジン１から排出されるＮＯｘ量は、エンジン回転数等の運転条件に応じて変動し、また、上記図２（ｂ）に示したように排ガス温度によって温度感応型ＮＯｘ吸着体２への吸着量が変動する。そこで、例えば、エンジン１の運転履歴とＮＯｘ排出量の関係を予め知り、図示しない各種センサで検出したエンジン１の運転状態からＮＯｘ排出量を算出するとともに、排気温センサ４２で検出される排ガス温度から、排出されたＮＯｘ量のうち温度感応型ＮＯｘ吸着体２に吸着されるＮＯｘ量を算出する。これを所定の周期で繰り返し行い、加算することでＮＯｘ吸着量ＭＮＯＸ を算出することができる。さらに、ステップ１０４において、再生に必要なＮＯｘ量ＮＮＯＸ 、すなわちステップ１０１で算出したＰＭ堆積量ＭＰＭに対して必要となるＮＯｘ量を算出し、続くステップ１０５で、算出したＮＯｘ吸着量ＭＮＯＸ と再生に必要なＮＯｘ量ＮＮＯＸ を比較して、不足のＮＯｘ量ＬＮＯＸ を算出する。
【００４８】
そして、ステップ１０６で、上記した方法で排ガスを昇温し、ＤＰＦ３の昇温制御を開始する。これに従い、高温の排ガスが排気管１１に導入され、図６のように、温度感応型ＮＯｘ吸着体２、酸化触媒７、ＤＰＦ３の温度が上昇する。そして、温度感応型ＮＯｘ吸着体２の出ガス温度が、例えば４００℃以上の高温となると、吸着されていたＮＯｘが放出されて、ＮＯｘ濃度が急上昇し、活性化温度に達した酸化触媒７にてＮＯがＮＯ２ に変換される。ＮＯ２ はＤＰＦ３に捕集されたＰＭと反応し、その反応熱でＤＰＦ３温度が上昇する。この時、続くステップ１０７において、上記ステップ１０５で算出した不足のＮＯｘ量ＬＮＯＸ を供給するＮＯｘ補充制御を実施することにより、通常のエンジン出ガスＮＯｘ濃度に対して、ＮＯｘ補充制御時のエンジン出ガスＮＯｘ濃度を増加させることができる。このようにして、ＰＭ堆積量に見合う十分なＮＯｘ量を確保することができる。
【００４９】
その後、ステップ１０８で、再び、差圧センサ４１、エアフローメータ５１および排気温センサ４２の出力を読み込み、ＰＭ堆積量ＭＰＭを算出する。次いで、ステップ１０９で、算出したＰＭ堆積量ＭＰＭを予め設定した所定値Ａ２（Ａ２＜Ａ１）と比較して、ＤＰＦ３の再生を終了するかどうかを判断する。算出したＰＭ堆積量ＭＰＭが所定値Ａ２以下であれば、本処理を終了する。ＰＭ堆積量ＭＰＭが所定値Ａ２より多い場合には、ステップ１０３へ戻って、再び温度感応型ＮＯｘ吸着体２のＮＯｘ吸着量を算出する。なお、この場合、上記処理によって、温度感応型ＮＯｘ吸着体２から放出されたＮＯｘ量は、図６に示される温度感応型ＮＯｘ吸着体２の出ガスＮＯｘ濃度の時間変化から算出することができ、この分を減算することで、温度感応型ＮＯｘ吸着体２のＮＯｘ吸着量を算出することができる。ステップ１０４以降は同様とする。
【００５０】
以上のように、本実施の形態によれば、不足分のＮＯｘを供給するＮＯｘ補充制御を行うことで、より効率よいＤＰＦ３の再生が可能になる。なお、本実施の形態では、吸着したＮＯｘ量を運転履歴と排ガス温度からＥＣＵ６にて算出したが、図８に第６の実施の形態として示すように、温度感応型ＮＯｘ吸着体２の上流の排気管１１に、ＮＯｘ濃度を検出するためにＮＯｘセンサ４３を設け、その検出結果と排ガス温度から、ＮＯｘ吸着量を算出するようにしてもよい。このように、ＮＯｘセンサ４３を用いることで、排ガス中のＮＯｘ濃度を直接測定することができるので、検出精度が向上する。また、ＮＯｘ補充制御は、上述したＥＧＲ量制御手段、噴射時期時期制御手段、吸入空気量制御手段のいずれかを用いて行ってもよいが、これらのうち２つ以上を組み合わせると不足分のＮＯｘ量が多い場合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す排ガス浄化装置の全体概略構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示し、（ａ）は排ガス浄化装置の全体概略構成図、（ｂ）は排ガス温度と触媒特性の関係を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示す排ガス浄化装置の要部概略構成図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態を示す排ガス浄化装置の要部概略構成図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態を示す排ガス浄化装置の全体概略構成図である。
【図６】装置温度とＮＯｘ濃度の時間変化を示す図である。
【図７】ＥＣＵによるＮＯｘ補充制御のフローチャートである。
【図８】本発明の第６の実施の形態を示す排ガス浄化装置の全体概略構成図である。
【符号の説明】
１ エンジン
１１ 排気管
１２ 吸気管
２ 温度感応型ＮＯｘ吸着体
３ ＤＰＦ
４１ 差圧センサ（圧力検出手段）
４２ 排気温センサ（温度検出手段）
４３ ＮＯｘセンサ
５ 吸気スロットル（吸入空気量制御手段）
５１ エアフローメータ（吸入空気量検出手段）
６ ＥＣＵ（ＰＭ堆積量算出手段、再生実施手段、ＮＯｘ吸着量算出手段、ＮＯｘ不足量算出手段、ＮＯｘ補充制御手段、燃料噴射時期制御手段）
７ 酸化触媒
８ ＥＧＲ通路
８１ ＥＧＲ弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出されるパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを備える排ガス浄化装置に関し、詳しくは、排ガスに含まれるＮＯｘを利用してパティキュレートを酸化除去する排ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化の観点から、低ＣＯ２ 排出量であるディーゼルエンジンが注目されている。一方で、ディーゼルエンジンから排出されるガスのクリーン化要求が高まっており、特に、パティキュレート（粒子状物質，ＰＭ）の低減が大きな課題となっている。ディーゼルエンジンのＰＭ対策としては、多孔質セラミック構造体からなるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が知られ、ＤＰＦにＰＭを一旦捕集した後、適当な時期にＰＭを燃焼させて、ＤＰＦを再生することが行われている。
【０００３】
また、ＤＰＦの上流に酸化触媒を設置し、排ガスに含まれるＮＯｘからＰＭとの反応性の高いＮＯ２ を生成して、ＤＰＦに供給するようにした装置が提案されている。この装置では、生成したＮＯ２ によりＤＰＦに捕集されたＰＭを酸化させるので、比較的低温域においてもＰＭの酸化除去が可能になる。ただし、排ガスに含まれるＮＯｘ量はエンジンの運転状態によって変化するので、常に十分な量のＮＯｘをＤＰＦに供給できるとは限らない。
【０００４】
そこで、ＮＯｘ吸蔵触媒を用いてＰＭの燃焼を効率よく行うことが検討されている。ＮＯｘ吸蔵触媒は、リーン雰囲気 （酸素過剰雰囲気）でＮＯｘを吸蔵しリッチ雰囲気（還元雰囲気）で放出する特性を有するもので、通常時は排出されるＮＯｘをＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵し、ＰＭ燃焼時にＮＯｘ吸蔵触媒からＮＯｘを放出させて、高濃度のＮＯｘをＤＰＦに供給することが試みられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ディーゼルエンジンは、通常リーン雰囲気で運転されるため、ＤＰＦの再生時にＮＯｘを放出させるには、一時的にリッチ雰囲気を作る必要があり、大きな燃費の悪化をまねく問題があった。また、適正な時期にＮＯｘを放出させてＰＭと反応させるには、ＤＰＦの温度を検出して、ＤＰＦが再生可能な温度範囲となった時に雰囲気を切換えるといった制御が必要となる。このため、より簡易に、効率よくＰＭを燃焼除去できる技術の開発が望まれていた。
【０００６】
そこで、本発明は、燃費を大きく悪化させることなく、必要な時に高濃度のＮＯｘをＤＰＦに供給することができ、より効率よくＰＭを除去してＤＰＦを再生することができる排ガス浄化装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でＮＯｘを吸着し高温で吸着したＮＯｘを放出する特性を有する温度感応型ＮＯｘ吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘの吸着・放出が可能な温度感応型ＮＯｘ吸着体を設け、該温度感応型ＮＯｘ吸着体の下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを配置したことを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、低温時には、ディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘを、上記温度感応型ＮＯｘ吸着体に担持された温度感応型ＮＯｘ吸着材に吸着し、排ガスが高温になった時に、吸着保持されていたＮＯｘを一気に放出することで、高濃度のＮＯ２ を下流側のパティキュレートフィルタに供給することができる。このＮＯｘの吸着・放出は、酸素過剰雰囲気下で進行するので、雰囲気制御等の必要がなく、ＰＭとＮＯｘの反応が可能となった時に十分なＮＯｘを供給して、燃費を悪化させることなく、効率的にＰＭを酸化除去することができる。
【０００９】
請求項２の装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でＮＯｘを吸着し高温で吸着したＮＯｘを放出する特性を有する温度感応型ＮＯｘ吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘの吸着・放出が可能な温度感応型ＮＯｘ吸着体を設け、該温度感応型ＮＯｘ吸着体の下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを配置するとともに、上記パティキュレートフィルタの表面に酸化触媒成分を担持させる。
【００１０】
上記構成によれば、高温時に温度感応型ＮＯｘ吸着体から放出されるＮＯｘのうちＮＯが、パティキュレートフィルタの表面で酸化触媒によってＮＯ２ に変換される。これにより、より高濃度のＮＯ２ をパティキュレートフィルタに供給することができ、より効率よくＰＭを酸化除去することができる。
【００１１】
請求項３の装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でＮＯｘを吸着し高温で吸着したＮＯｘを放出する特性を有する温度感応型ＮＯｘ吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘの吸着・放出が可能な温度感応型ＮＯｘ吸着体を設け、該温度感応型ＮＯｘ吸着体の下流に、酸化触媒と、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタとを順に配置している。
【００１２】
上記構成のように、酸化触媒をパティキュレートフィルタと別体で設けることもできる。この場合も、酸化触媒を温度感応型ＮＯｘ吸着体とパティキュレートフィルタの間に設けることで、請求項３と同様の効果が得られる。
【００１３】
請求項４の装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを設け、該パティキュレートフィルタの表面に、低温でＮＯｘを吸着し高温で吸着したＮＯｘを放出する特性を有し、酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘの吸着・放出が可能な温度感応型ＮＯｘ吸着材を担持させる。
【００１４】
上記構成のように、温度感応型ＮＯｘ吸着材をパティキュレートフィルタに直接担持させることもできる。このようにしても、低温時に温度感応型ＮＯｘ吸着材に吸着したＮＯｘを高温時に放出して、効率よくＰＭを酸化除去することができ、また、装置をよりコンパクトにすることができる。
【００１５】
請求項５のように、上記温度感応型ＮＯｘ吸着材としては、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素から選ばれる少なくとも１種の金属元素（Ａ種）と、遷移金属元素から選ばれる少なくとも１種の金属元素（Ｂ種）との複合酸化物（ＡＢＯｘ）を主成分として含有するものが使用でき、温度に応じてＮＯｘを吸着あるいは放出させることができる。
【００１６】
請求項６の装置は、上記パティキュレートフィルタにおける圧力損失からパティキュレートの堆積量を算出するＰＭ堆積量算出手段と、該ＰＭ堆積量算出手段で算出されたＰＭ堆積量に基づいて上記パティキュレートフィルタの再生を行う再生実施手段とを備える。
【００１７】
上記構成によれば、上記パティキュレートフィルタの自然再生がなされないまま、ＰＭ堆積量が増加した場合でも、上記ＰＭ堆積量算出手段で算出されたＰＭ堆積量が所定値を越えた時に、上記再生実施手段を作動させることで、確実にパティキュレートフィルタの再生を行うことができる。よって、燃費等への影響を最小限度とし、安全に、効率よくＰＭを酸化除去することができる。
【００１８】
請求項７の装置は、上記パティキュレートフィルタにおける圧力損失からパティキュレートの堆積量を算出するＰＭ堆積量算出手段と、該ＰＭ堆積量算出手段で算出されたＰＭ堆積量に基づいて上記パティキュレートフィルタの再生を行う再生実施手段と、運転履歴または排ガス中のＮＯｘ濃度と排ガス温度から上記温度感応型ＮＯｘ吸着材に吸着したＮＯｘ量を算出するＮＯｘ吸着量算出手段と、上記再生実施手段による上記パティキュレートフィルタの再生に先立って、再生に必要なＮＯｘ量と、上記ＮＯｘ吸着量算出手段により算出されたＮＯｘ吸着量との差から、再生に必要なＮＯｘ量の不足分を算出するＮＯｘ不足量算出手段と、該ＮＯｘ不足量算出手段により算出されたＮＯｘ不足量に相当するＮＯｘを供給するためにＮＯｘ補充制御を実施するＮＯｘ補充制御手段とを備える。
【００１９】
上記構成においても、上記パティキュレートフィルタの自然再生がなされないまま、上記ＰＭ堆積量算出手段で算出されたＰＭ堆積量が所定値を越えた時には、上記再生実施手段が作動して、上記パティキュレートフィルタの再生を行う。その際に、上記温度感応型ＮＯｘ吸着材に吸着したＮＯｘ量を算出するとともに、再生に必要なＮＯｘ量に対する不足分を算出して、該不足分を上記パティキュレートフィルタに供給する補充制御を行うことにより、十分なＮＯｘ量を確保することができ、より効率よくＰＭを酸化除去することができる。
【００２０】
請求項８の装置は、上記ディーゼルエンジンの排気再循環通路に設けたＥＧＲ弁でＥＧＲ量を調節するＥＧＲ量制御手段を備え、上記ＮＯｘ補充制御手段は、上記ＥＧＲ量制御手段の上記ＥＧＲ弁を閉側に制御してＥＧＲ量を低減する制御を行う。
【００２１】
具体的には、上記ＥＧＲ量制御手段を設けて、ＥＧＲ量を低減する制御を行うと、排ガス中のＮＯｘ量を増加させ、不足分に相当するＮＯｘを供給することができる。
【００２２】
請求項９の装置は、上記ディーゼルエンジンの吸気通路に設けた吸気スロットルで吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段を備え、上記ＮＯｘ補充制御手段は、上記吸入空気量制御手段の上記吸気スロットルを開側に制御して吸入空気量を増加させる制御を行う。
【００２３】
あるいは、上記吸入空気量制御手段を設けて、吸入空気量を増加させる制御を行うこともでき、燃焼温度を高くしてＮＯｘの生成量を増加させ、不足分に相当するＮＯｘを供給することができる。
【００２４】
請求項１０の装置は、上記ディーゼルエンジンの燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を備え、上記ＮＯｘ補充制御手段は、上記燃料噴射時期制御手段により燃料噴射時期を進角側にする制御を行う。
【００２５】
あるいは、上記燃料噴射時期制御手段を設けて、燃料噴射時期を進角側にする制御を行うこともでき、燃焼温度を高くしてＮＯｘの生成量を増加させ、不足分に相当するＮＯｘを供給することができる。
【００２６】
請求項１１の装置は、上記ディーゼルエンジンの排気再循環通路に設けたＥＧＲ弁でＥＧＲ量を調節するＥＧＲ量制御手段と、上記ディーゼルエンジンの吸気通路に設けた吸気スロットルで吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段と、上記ディーゼルエンジンの燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を備え、上記ＮＯｘ補充手段は、上記ＥＧＲ量制御手段の上記ＥＧＲ弁を閉側に制御してＥＧＲ量を低減する制御、上記吸入空気量制御手段の上記吸気スロットルを開側に制御して吸入空気量を増加させる制御および上記燃料噴射時期制御手段により燃料噴射時期を進角側にする制御のうちの少なくとも２つ以上の制御を実施する。
【００２７】
好適には、上記ＥＧＲ量制御手段、吸入空気量制御手段、燃料噴射時期制御手段を組み合わせることにより、必要なＮＯｘ量を確保し、より効率よく上記パティキュレートフィルタの再生を行うことができる。
【００２８】
請求項１２の装置は、上記パティキュレートフィルタ前後の圧力差または上記パティキュレートフィルタの上流圧力を検出する圧力検出手段と、上記パティキュレートフィルタの温度を検出する温度検出手段と、内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を有しており、上記ＰＭ堆積量算出手段は、これら検出手段の検出結果からパティキュレートの堆積量を算出する。
【００２９】
具体的には、一般に、ある排気流量に対して、ＰＭの捕集量の増加に伴い上記パティキュレートフィルタで発生する圧力損失が増加する。よって、上記パティキュレートフィルタ前後の圧力差または上記パティキュレートフィルタの上流圧力を検出し、上記パティキュレートフィルタの温度と吸入空気量から算出される排気流量に基づいてＰＭ捕集量を算出することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明を適用した排ガス浄化装置の全体構成を示す概略図であり、図中、ディーゼルエンジン１に接続された排気通路としての排気管１１の途中には、酸素過剰雰囲気下でもＮＯｘの吸着・放出が可能な温度感応型ＮＯｘ吸着体２が設置されている。温度感応型ＮＯｘ吸着体２の下流の排気管１１内には、排ガス中のパティキュレート（ＰＭ）を捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）３が設置されている。
【００３１】
温度感応型ＮＯｘ吸着体２は、コーディエライト等の耐熱性セラミックスからなるハニカム構造のセラミック担体に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、温度感応型ＮＯｘ吸着材を担持してなる。温度感応型ＮＯｘ吸着材は、低温域 （例えば４００℃以下）においてＮＯｘを吸着し、高温域 （例えば４００℃以上）となった時に吸着したＮＯｘを放出する特性を有して、下流のＤＰＦ３にＮＯｘを供給するもので、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ等のアルカリ金属元素およびＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ等のアルカリ土類金属元素から選ばれる少なくとも１種の金属元素（Ａ種）と、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ等の遷移金属から選ばれる少なくとも１種の金属元素（Ｂ種）とを含む複合酸化物（ＡＢＯｘ）が好適に使用される。具体的には、Ａ種としてＢａを、Ｂ種としてＣｕを用いた複合酸化物等が挙げられ、これら複合酸化物を主成分とするＮＯｘ吸着材を用いることで、リッチ・ストイキ・リーン雰囲気のいずれの雰囲気下においてもＮＯｘの吸着・放出が可能となる。
【００３２】
ＤＰＦ３は、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスをハニカム構造に成形し、多孔性の隔壁で区画された多数のセルの入口または出口を互い違いに目封じしたもので構成される。エンジンからの排ガスは、入口側が開口しているセルからＤＰＦ３内に入り、各セルを区画する多孔性の隔壁を通過しながら出口側へ流れる間にＰＭが捕集される。なお、ＤＰＦ３や温度感応型ＮＯｘ吸着体２の基材となるセラミックスは、コーディエライトに限らず、アルミナ、スピネル、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、ムライト、シリカ−アルミナ、ゼオライト、ジルコニア、窒化珪素、リン酸ジルコニウム等の他のセラミックスを用いることもできる。
【００３３】
本発明では、温度感応型ＮＯｘ吸着体２をＤＰＦ３の上流に配置し、排ガス温度に応じてＮＯｘを吸着・放出させることで、ＤＰＦ３に捕集されたＰＭを、ＮＯｘを用いて効率よく浄化することができる。すなわち、排ガスが低温 （例えば４００℃以下）でＰＭの酸化反応に適さない時には、エンジン１から排出されるＮＯｘは、温度感応型ＮＯｘ吸着体２に担持された温度感応型ＮＯｘ吸着材に吸着される。ＰＭとＮＯ２ の反応が進行する温度以上に排ガスの温度が上昇すると（例えば４００℃以上）、温度感応型ＮＯｘ吸着体２に吸着されていたＮＯｘが放出され、下流側のＤＰＦ３に捕集されているＰＭを酸化除去する。
【００３４】
ここで、本発明で使用する温度感応型ＮＯｘ吸着体２は、ＮＯｘの吸着および放出が、雰囲気によらず進行するので、従来のＮＯｘ吸蔵触媒を用いたシステムのように、ＮＯｘを放出するために一時的にリッチ雰囲気とする制御を行う必要がない。よって、通常時には、排ガスが高温となる運転条件となった時に、ＤＰＦ３の自然再生がなされるので、燃費を悪化させることなくＰＭの浄化に十分なＮＯｘを供給して、ＰＭを酸化除去することができる。
【００３５】
また、運転状態によっては、ＤＰＦ３の再生がなされないままＰＭの堆積量が増加することがある。ＰＭの堆積量が多いと、燃焼時にＤＰＦ３が高温となって劣化する等のおそれがあるため、ＰＭの堆積量が所定量を越えた時には、排ガスを昇温させて強制的にＰＭを燃焼させるようにするとよい。本実施の形態では、捕集されたパティキュレートの量（ＰＭ堆積量）を知るために、圧力検出手段である差圧センサ４１を設けて、ＤＰＦ３の上流および下流の排気管１１圧力からＤＰＦ３前後の圧力差を検出するようになっている。また、ＤＰＦ３前後の圧力差は、排気流量によっても変化するので、排気流量を算出するために、ＤＰＦ３と温度感応型ＮＯｘ吸着体２の間の排気管１１にＤＰＦ３の温度を検出する温度検出手段として排気温センサ４２が、エンジン１の吸気管１２には、吸入空気量検出手段としてエアフローメータ５１が設けられる。
【００３６】
これら各検出装置からの信号はＥＣＵ６に入力される。ＥＣＵ６は、ＤＰＦ３の温度および吸入空気量の測定値から算出される排ガス流量とＤＰＦ３の前後差圧を基に、ＰＭ堆積量を演算し（ＰＭ堆積量算出手段）、算出されたＰＭ堆積量が所定値を越えた時に、高温の排ガスを供給して温度感応型ＮＯｘ吸着体２およびＤＰＦ３を昇温させ、ＤＰＦ３の再生を行う（再生実施手段）。これにより、温度感応型ＮＯｘ吸着体２に吸着されているＮＯｘを放出させて、ＤＰＦ３においてＰＭと反応させ、捕集能力を回復させることができる。
【００３７】
排ガスを高温とする手段として、具体的には、ＥＣＵ６によりエンジン１の燃焼室に燃料を噴射する際に、ポスト噴射や噴射時期の遅角を行う、あるいは、吸入空気量制御手段となる吸気スロットル５を通常より閉側とする等の制御を行うことにより排ガスを昇温させることができる。例えば、ポスト噴射や遅角を行うと、着火時期の遅れ等により、エネルギーの一部が排気の熱エネルギーになるために、通常噴射の場合よりも排ガスを高温（例えば３００℃〜７００℃）とすることが可能である。吸気スロットル５を閉側とした場合も、吸気量が減少してエンジン１の燃焼室内に流入するガスの熱容量が減少するために、排ガス温度が上昇する。運転状態に応じて、複数の制御手段を使い分けたり、再生手段として、バーナやヒータといった加熱装置を用いることもできる。
【００３８】
このように、本実施の形態によれば、温度感応型ＮＯｘ吸着体２を用いることにより、リーン雰囲気においてもＤＰＦ３の自然再生が可能となり、また、必要に応じて再生制御を併用することで、エンジン１の燃焼制御への影響を最小限とし、燃費の悪化やＤＰＦ３の劣化を抑制しつつ、効率よくＤＰＦ３を再生させることができる。
【００３９】
図２（ａ）に本発明の第２の実施の形態として示すように、酸化触媒を塗布したＤＰＦ３を使用することもできる。酸化触媒としては、通常、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等の触媒貴金属が用いられる。これにより、放出されるＮＯｘ成分のうちＮＯを反応性の高いＮＯ２ に変換できるので、より効率的にＰＭを酸化除去することができる。酸化触媒の担持は、ＤＰＦ３の表面に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、酸化触媒成分を含む溶液に浸漬、焼付けすることにより行われる。その他の基本構成は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００４０】
図２（ｂ）に本実施の形態の構成における温度感応型ＮＯｘ吸着体２と酸化触媒の温度特性を示す。温度感応型ＮＯｘ吸着体２におけるＮＯｘの入りガス濃度と出ガス濃度の関係は、排ガス温度に対して図の上段に示すようになり、排ガスが低温 （例えば４００℃以下）である時、エンジン１から排出されるＮＯｘは、温度感応型ＮＯｘ吸着体２に吸着されるため、入りガス濃度に対して出ガス濃度が低くなっている。排ガスが高温 （例えば４００℃以上）になると、吸着されていたＮＯｘが温度感応型ＮＯｘ吸着体２から放出されるために、ＮＯｘの出ガス濃度が急増する。この温度域では、酸化触媒が活性化温度以上となっているのでＮＯ２ 生成率が急増し（図の中段）、ＮＯ２ とＰＭの反応率も十分高くなっている（図の下段）。従って、放出されたＮＯｘはＤＰＦ３表面の酸化触媒によって速やかにＮＯ２ に変換され、ＮＯ２ とＰＭの反応が進行する。これらの反応も、すべてリーン雰囲気で進行するので、排ガス中のＮＯｘを有効に利用して、ＰＭを酸化除去することができる。
【００４１】
図３に本発明の第３の実施の形態として示すように、酸化触媒７をＤＰＦ３と別体で設けることもできる。この場合、酸化触媒７は温度感応型ＮＯｘ吸着体２とＤＰＦ３の間に配設され、温度感応型ＮＯｘ吸着体２から放出されるＮＯを反応性の高いＮＯ２ に変換してＤＰＦ３に供給する。酸化触媒７は、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスからなるハニカム構造のセラミック担体に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、酸化触媒成分を担持してなる。この構成においても、上記第２の実施の形態と同様の作動が得られる。
【００４２】
図４に本発明の第４の実施の形態として示すように、温度感応型ＮＯｘ吸着材を表面に塗布したＤＰＦ３を使用することもできる。温度感応型ＮＯｘ吸着材は、上記第１の実施の形態と同様のものが用いられ、ＤＰＦ３の表面に、アルミナ等よりなるコーティング層を形成した後、温度感応型ＮＯｘ吸着材を含む溶液に浸漬、焼付けすることにより担持させることができる。その他の基本構成および作動は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００４３】
図５、６に本発明の第５の実施の形態を示す。本実施の形態の触媒構成は、上記第３の実施の形態の構成と同様で（上記図３参照）、排気管１１内に、上流側から温度感応型ＮＯｘ吸着体２、酸化触媒７、ＤＰＦ３が排気管１１が配置してある。本実施の形態において、エンジン１の排気管１１は、ＥＧＲ（排気再循環）通路８によって吸気管１２に連結しており、排気の一部がＥＧＲ通路８を経て吸気管１２に戻されるようになっている。ＥＧＲ通路８には、ＥＧＲ弁８１が設置されており、吸気に還流される排気の量（ＥＧＲ量）を調整できるようにしてある（ＥＧＲ量制御手段）。
【００４４】
本実施の形態においても、上記第３の実施の形態と同様、排ガスが高温となった時に、ＮＯｘが温度感応型ＮＯｘ吸着体２から放出され、酸化触媒７でＮＯがＮＯ２ に返還された後、ＰＭと反応することでＤＰＦ３の自然再生がなされる。また、上記第１の実施の形態と同様、ＥＣＵ６にて、差圧センサ４１で検出されるＤＰＦ３の前後差圧からＮＯｘ吸着量を算出し（ＰＭ堆積量算出手段）、算出されたＰＭ堆積量が所定値を越えた時に、高温の排ガスを供給して温度感応型ＮＯｘ吸着体２およびＤＰＦ３を昇温させ、ＤＰＦ３の再生を行う（再生実施手段）。さらに、本実施の形態では、その際、温度感応型ＮＯｘ吸着体２に吸着されているＮＯｘ量を算出し（ＮＯｘ吸着量算出手段）、ＤＰＦ３の再生に必要なＮＯｘ量に対する不足分を算出して（ＮＯｘ不足量算出手段）、このＮＯｘ不足量に相当するＮＯｘをエンジン１側から排出するように、ＥＣＵ６による補充制御を行うものとする（ＮＯｘ補充制御手段）。
【００４５】
温度感応型ＮＯｘ吸着体２に吸着されているＮＯｘ量は、ここでは、排気温センサ４２にて検出される排ガス温度と、運転履歴を基にＥＣＵ６にて算出される。また、ＰＭ堆積量から、捕集されたＰＭとの反応に必要なＮＯｘ量を算出し、ＮＯｘ吸着量との差からＮＯｘ不足量を算出することができる。不足分のＮＯｘの補充は、例えば、ＥＧＲ通路８に設けたＥＧＲ弁８１を閉側に制御することにより行い、吸気に還流される排気を減少して燃焼温度を高温とし、ＮＯｘ量を増加することができる。あるいは、ＥＣＵ６によりエンジン１の燃焼室に燃料を噴射する際に（噴射時期時期制御手段）、噴射時期の進角を行ったり、吸気スロットル５で吸入空気量を調節する際に（吸入空気量制御手段）、吸気スロットル５を通常より開側とする制御を行ってもよく、同様に、ＮＯｘの排出量を増加させることができる。
【００４６】
この時のＥＣＵ６の作動の一例を、図６のタイムチャートを参照しながら、図７のフローチャートを用いて説明する。この処理は、ＥＣＵ６において所定の周期で実行され、まずステップ１０１で、差圧センサ４１、エアフローメータ５１および排気温センサ４２の出力を読み込み、ＤＰＦ３前後差圧、吸入空気量およびＤＰＦ３温度の検出値を基に、ＰＭ堆積量ＭＰＭを算出する。次いで、ステップ１０２で、算出したＰＭ堆積量ＭＰＭを予め設定した所定値Ａ１と比較して、ＤＰＦ３の再生を実施するかどうかを判断する。ＰＭ堆積量ＭＰＭが所定値Ａ１に満たない場合にはスタートへ戻り、ＰＭ堆積量ＭＰＭが所定値以上であれば、ＤＰＦ３の再生が必要と判断してステップ１０３へ進む。
【００４７】
次いで、ステップ１０３で、温度感応型ＮＯｘ吸着体２に吸着したＮＯｘ吸着量ＭＮＯＸ を算出する。エンジン１から排出されるＮＯｘ量は、エンジン回転数等の運転条件に応じて変動し、また、上記図２（ｂ）に示したように排ガス温度によって温度感応型ＮＯｘ吸着体２への吸着量が変動する。そこで、例えば、エンジン１の運転履歴とＮＯｘ排出量の関係を予め知り、図示しない各種センサで検出したエンジン１の運転状態からＮＯｘ排出量を算出するとともに、排気温センサ４２で検出される排ガス温度から、排出されたＮＯｘ量のうち温度感応型ＮＯｘ吸着体２に吸着されるＮＯｘ量を算出する。これを所定の周期で繰り返し行い、加算することでＮＯｘ吸着量ＭＮＯＸ を算出することができる。さらに、ステップ１０４において、再生に必要なＮＯｘ量ＮＮＯＸ 、すなわちステップ１０１で算出したＰＭ堆積量ＭＰＭに対して必要となるＮＯｘ量を算出し、続くステップ１０５で、算出したＮＯｘ吸着量ＭＮＯＸ と再生に必要なＮＯｘ量ＮＮＯＸ を比較して、不足のＮＯｘ量ＬＮＯＸ を算出する。
【００４８】
そして、ステップ１０６で、上記した方法で排ガスを昇温し、ＤＰＦ３の昇温制御を開始する。これに従い、高温の排ガスが排気管１１に導入され、図６のように、温度感応型ＮＯｘ吸着体２、酸化触媒７、ＤＰＦ３の温度が上昇する。そして、温度感応型ＮＯｘ吸着体２の出ガス温度が、例えば４００℃以上の高温となると、吸着されていたＮＯｘが放出されて、ＮＯｘ濃度が急上昇し、活性化温度に達した酸化触媒７にてＮＯがＮＯ２ に変換される。ＮＯ２ はＤＰＦ３に捕集されたＰＭと反応し、その反応熱でＤＰＦ３温度が上昇する。この時、続くステップ１０７において、上記ステップ１０５で算出した不足のＮＯｘ量ＬＮＯＸ を供給するＮＯｘ補充制御を実施することにより、通常のエンジン出ガスＮＯｘ濃度に対して、ＮＯｘ補充制御時のエンジン出ガスＮＯｘ濃度を増加させることができる。このようにして、ＰＭ堆積量に見合う十分なＮＯｘ量を確保することができる。
【００４９】
その後、ステップ１０８で、再び、差圧センサ４１、エアフローメータ５１および排気温センサ４２の出力を読み込み、ＰＭ堆積量ＭＰＭを算出する。次いで、ステップ１０９で、算出したＰＭ堆積量ＭＰＭを予め設定した所定値Ａ２（Ａ２＜Ａ１）と比較して、ＤＰＦ３の再生を終了するかどうかを判断する。算出したＰＭ堆積量ＭＰＭが所定値Ａ２以下であれば、本処理を終了する。ＰＭ堆積量ＭＰＭが所定値Ａ２より多い場合には、ステップ１０３へ戻って、再び温度感応型ＮＯｘ吸着体２のＮＯｘ吸着量を算出する。なお、この場合、上記処理によって、温度感応型ＮＯｘ吸着体２から放出されたＮＯｘ量は、図６に示される温度感応型ＮＯｘ吸着体２の出ガスＮＯｘ濃度の時間変化から算出することができ、この分を減算することで、温度感応型ＮＯｘ吸着体２のＮＯｘ吸着量を算出することができる。ステップ１０４以降は同様とする。
【００５０】
以上のように、本実施の形態によれば、不足分のＮＯｘを供給するＮＯｘ補充制御を行うことで、より効率よいＤＰＦ３の再生が可能になる。なお、本実施の形態では、吸着したＮＯｘ量を運転履歴と排ガス温度からＥＣＵ６にて算出したが、図８に第６の実施の形態として示すように、温度感応型ＮＯｘ吸着体２の上流の排気管１１に、ＮＯｘ濃度を検出するためにＮＯｘセンサ４３を設け、その検出結果と排ガス温度から、ＮＯｘ吸着量を算出するようにしてもよい。このように、ＮＯｘセンサ４３を用いることで、排ガス中のＮＯｘ濃度を直接測定することができるので、検出精度が向上する。また、ＮＯｘ補充制御は、上述したＥＧＲ量制御手段、噴射時期時期制御手段、吸入空気量制御手段のいずれかを用いて行ってもよいが、これらのうち２つ以上を組み合わせると不足分のＮＯｘ量が多い場合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す排ガス浄化装置の全体概略構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示し、（ａ）は排ガス浄化装置の全体概略構成図、（ｂ）は排ガス温度と触媒特性の関係を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示す排ガス浄化装置の要部概略構成図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態を示す排ガス浄化装置の要部概略構成図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態を示す排ガス浄化装置の全体概略構成図である。
【図６】装置温度とＮＯｘ濃度の時間変化を示す図である。
【図７】ＥＣＵによるＮＯｘ補充制御のフローチャートである。
【図８】本発明の第６の実施の形態を示す排ガス浄化装置の全体概略構成図である。
【符号の説明】
１ エンジン
１１ 排気管
１２ 吸気管
２ 温度感応型ＮＯｘ吸着体
３ ＤＰＦ
４１ 差圧センサ（圧力検出手段）
４２ 排気温センサ（温度検出手段）
４３ ＮＯｘセンサ
５ 吸気スロットル（吸入空気量制御手段）
５１ エアフローメータ（吸入空気量検出手段）
６ ＥＣＵ（ＰＭ堆積量算出手段、再生実施手段、ＮＯｘ吸着量算出手段、ＮＯｘ不足量算出手段、ＮＯｘ補充制御手段、燃料噴射時期制御手段）
７ 酸化触媒
８ ＥＧＲ通路
８１ ＥＧＲ弁
Claims (12)
- ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でＮＯｘを吸着し高温で吸着したＮＯｘを放出する特性を有する温度感応型ＮＯｘ吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘの吸着・放出が可能な温度感応型ＮＯｘ吸着体を設け、該温度感応型ＮＯｘ吸着体の下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを配置したことを特徴とする排ガス浄化装置。
- ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でＮＯｘを吸着し高温で吸着したＮＯｘを放出する特性を有する温度感応型ＮＯｘ吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘの吸着・放出が可能な温度感応型ＮＯｘ吸着体を設け、該温度感応型ＮＯｘ吸着体の下流に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを配置するとともに、上記パティキュレートフィルタの表面に酸化触媒成分を担持させたことを特徴とする排ガス浄化装置。
- ディーゼルエンジンの排気通路に、低温でＮＯｘを吸着し高温で吸着したＮＯｘを放出する特性を有する温度感応型ＮＯｘ吸着材を担体に担持してなり、酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘの吸着・放出が可能な温度感応型ＮＯｘ吸着体を設け、該温度感応型ＮＯｘ吸着体の下流に、酸化触媒と、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタとを順に配置したことを特徴とする排ガス浄化装置。
- ディーゼルエンジンの排気通路に、排ガス中のパティキュレートを捕集するためのパティキュレートフィルタを設け、該パティキュレートフィルタの表面に、低温でＮＯｘを吸着し高温で吸着したＮＯｘを放出する特性を有し、酸素過剰雰囲気下におけるＮＯｘの吸着・放出が可能な温度感応型ＮＯｘ吸着材を担持させたことを特徴とする排ガス浄化装置。
- 上記温度感応型ＮＯｘ吸着材が、アルカリ金属元素およびアルカリ土類金属元素から選ばれる少なくとも１種の金属元素（Ａ種）と、遷移金属元素から選ばれる少なくとも１種の金属元素（Ｂ種）との複合酸化物（ＡＢＯｘ）を含有する請求項１ないし４のいずれか記載の排ガス浄化装置。
- 上記パティキュレートフィルタにおける圧力損失からパティキュレートの堆積量を算出するＰＭ堆積量算出手段と、該ＰＭ堆積量算出手段で算出されたＰＭ堆積量に基づいて上記パティキュレートフィルタの再生を行う再生実施手段とを設けた請求項１ないし５のいずれか記載の排ガス浄化装置。
- 上記パティキュレートフィルタにおける圧力損失からパティキュレートの堆積量を算出するＰＭ堆積量算出手段と、該ＰＭ堆積量算出手段で算出されたＰＭ堆積量に基づいて上記パティキュレートフィルタの再生を行う再生実施手段と、運転履歴または排ガス中のＮＯｘ濃度と排ガス温度から上記温度感応型ＮＯｘ吸着材に吸着したＮＯｘ量を算出するＮＯｘ吸着量算出手段と、上記再生実施手段による上記パティキュレートフィルタの再生に先立って、再生に必要なＮＯｘ量と、上記ＮＯｘ吸着量算出手段により算出されたＮＯｘ吸着量との差から、再生に必要なＮＯｘ量の不足分を算出するＮＯｘ不足量算出手段と、該ＮＯｘ不足量算出手段により算出されたＮＯｘ不足量に相当するＮＯｘを供給するためにＮＯｘ補充制御を実施するＮＯｘ補充制御手段とを設けた請求項１ないし５のいずれか記載の排ガス浄化装置。
- 上記ディーゼルエンジンの排気再循環通路に設けたＥＧＲ弁でＥＧＲ量を調節するＥＧＲ量制御手段を備え、上記ＮＯｘ補充制御手段は、上記ＥＧＲ量制御手段の上記ＥＧＲ弁を閉側に制御してＥＧＲ量を低減する制御を行う請求項７記載の排ガス浄化装置。
- 上記ディーゼルエンジンの吸気通路に設けた吸気スロットルで吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段を備え、上記ＮＯｘ補充制御手段は、上記吸入空気量制御手段の上記吸気スロットルを開側に制御して吸入空気量を増加させる制御を行う請求項７記載の排ガス浄化装置。
- 上記ディーゼルエンジンの燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を備え、上記ＮＯｘ補充制御手段は、上記燃料噴射時期制御手段により燃料噴射時期を進角側にする制御を行う請求項７記載の排ガス浄化装置。
- 上記ディーゼルエンジンの排気再循環通路に設けたＥＧＲ弁でＥＧＲ量を調節するＥＧＲ量制御手段と、上記ディーゼルエンジンの吸気通路に設けた吸気スロットルで吸入空気量を調節する吸入空気量制御手段と、上記ディーゼルエンジンの燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を備え、上記ＮＯｘ補充手段は、上記ＥＧＲ量制御手段の上記ＥＧＲ弁を閉側に制御してＥＧＲ量を低減する制御、上記吸入空気量制御手段の上記吸気スロットルを開側に制御して吸入空気量を増加させる制御および上記燃料噴射時期制御手段により燃料噴射時期を進角側にする制御のうちの少なくとも２つ以上の制御を実施する請求項７記載の排ガス浄化装置。
- 上記ＰＭ堆積量算出手段が、上記パティキュレートフィルタ前後の圧力差または上記パティキュレートフィルタの上流圧力を検出する圧力検出手段と、上記パティキュレートフィルタの温度を検出する温度検出手段と、内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段の検出結果からパティキュレートの堆積量を算出する請求項６または７記載の排ガス浄化装置。
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